（机械电子工程专业论文）基于pdm的网络dnc系统的研究与开发.pdf

基于p d m 的网络d n c 系统的研究与开发 摘要 随着制造业信息化进程的不断深入，制造业对实现数字化设计制造管理 一体化技术要求越来越强烈。如何充分运用计算机技术、网络技术、 c a d c a m c a p p 技术和计算机信息管理技术把制造加工车间的数控设备、企业的 c a d c a m c a p p 系统、上层管理部门联系起来，构建数控车间的网络化集成管理 系统是现代制造加工车间实现信息化的关键。因此，研究数控车间数控设备的 管理系统与企业相对独立的c a d 、c a m 、c a p p 系统的集成技术对于提高数控车间 的信息化管理水平具有非常重要的意义。 结合国内外相关技术的研究现状，本文介绍了在数控车间网络化管理中广 泛采用的d n c 技术，分析了当前国内外商业化的d n c 系统存在的问题，并在网 络d n c 概念的基础上引入了p d m 技术，将p d m 技术与d n c 技术相结合，构建“基 于p d m 的网络d n c 系统 ，真正实现数控车间管理网络化。在此基础上，本文主 要论述了基于p d m 的网络d n c 系统具有的功能、数控车间网络d n c 运行模式， 以及构建该系统所需要的关键技术( 异构数控系统联网技术、串行通信技术、数 控设备远程控制、w i n d o w s 多线程技术、w i n s o c k 网络编程技术、数据库访问及 编程技术、b o m 报表技术、n c 代码数控仿真技术等) ，并开发了一套车间网络管 理系统软件( s t a r 网络d n c ) 。 系统软件开发工具采用v i s u a lc + + 6 0 ，数据库管理系统采用m i c r o s o f t s q ls e r v e r2 0 0 0 。系统人机界面友好，操作简单，可移植性好。该系统在中国 电子科技集团公司某研究所和安徽省数字化重点实验室制造车间得到了良好的 应用，具有广泛的应用前景和较好的实用价值。 关键字： 数控技术；c a d c a m c a p p ；d n c ；p d m 技术 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fn e t w o r kd n c s y s t e m b a s e do np d m a b s t r a c t w i t ht h ep r o c e e d i n go fm a n u f a c t u r ei n f o r m a t i o ni n d u s t r y ，t h e r ei sas t r o n g a p p e a lf o ri n c o r p o r a t et e c h n o l o g yo fd i g i t a ld e s i g n m a n u f a c t u r e m a n a g e m e n t i n m a n u f a c t u r ei n d u s t r y t h ek e yp r o b l e mi sh o wt om a k ef u l lb s eo fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , n e t w o r kt e c h n o l o g y , c a d c a m c a p pt e c h n o l o g y , a n dc o m p u t e ri n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t t e c h n o l o g yt ol i n ku pm a n u f a c t u r ew o r k s h o pn cm a c h i n e ，e n t e r p r i s ec a d c a m c a p p s y s t e m ，t h eu p p e rm a n a g e m e n t ，a n dt oc o n s t r u c tt h en cw o r k s h o pi n t e g r a t e dn e t w o r k m a n a g e m e n ts y s t e m t h e r e f o r e ，t h es t u d yo fn cw o r k s h o pe q u i p m e n tm a n a g e m e n ts y s t e m a n de n t e r p r i s er e l a t i v e l yi n d e p e n d e n tc a d ，c a m ，t h ec a p ps y s t e mi n t e g r a t i o nt e c h n o l o g y f o ri m p r o v i n gt h en cw o r k s h o pi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tl e v e lh a sv e r yi m p o r t a n t s i g n i f i c a n c e c o m b i n i n gd o m e s t i ca n do v e r s e a sr e s e a r c ho i lt e c h n o l o g yr e l a t e dt ot h es t a t u sq u o ， t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed n ct e c h n o l o g yw i d e l yu s e di nw o r k s h o po fn cn e t w o r k m a n a g e m e n t ，a n da n a l y s e st h ep r o b l e mo fc u r r e n td o m e s t i ca n df o r e i g nc o m m e r c i a l p r e s e n c eo ft h ed n cs y s t e m ，b a s e do nt h ec o n c e p to ft h en e t w o r kd n cw ei n t r o d u c e dt h e p d mt e c h n o l o g y , c o m b i n e dd n ct e c h n o l o g yw i t hp d mt e c h n o l o g y , t h e ”n e t w o r k b a s e d p d md n cs y s t e m ”i sp r e s e n t e d t or e a l i z en cm a c h i n en e t w o r km a n a g e m e n t ，o n l i n e p r o c e s s i n ga c c e s s i b i l i t y ，a tt h es a m et i m eo p t i m i z ea n db a l a n c ee n t e r p r i s e s r e s o u r c e s o n t h i sb a s i s ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h e ”n e t w o r k - b a s e dp d md n cs y s t e m ”f u n c t i o n s ，n cp l a n t n e t w o r kd n c o p e r a t i o nm o d em a i n l y ，a sw e l la st h ek e yt e c h n o l o g i e sn e e d e dt oc o n s t r u c t t h i ss y s t e m a n dar e l a t e ds o f t e w a r eh a sb e e np r o g r a m m e d ( s t a rn e t w o r kd n c ) s y s t e ms o f t w a r ei sp r o g r a m m e db yv i s u a lc + + 6 0 d a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m u s e sm i c r o s o f ts q ls e r v e r2 0 0 0 f r i e n d l yi n t e r f a c e ，e a s ys t u d ya n ds i m p l eo p e r a t i o n ，9 0 0 d r e p l a n t e di st h em a i nf e a t u r e so ft h i ss y s t e m t h es y s t e mh a sg o o da p p l i c a t i o ni nk e y l a b o r a t o r i e so f d i g i t a lm a n u f a c t u r i n gs h o po fa n h u ip r o v i n c e a n dc h i n ae l e c t r o n i c s t e c h n o l o g yg r o u pn o 16r e s e a r c hi n s t i t u t e t h e r e f o r e ，t h es y s t e mh a sb r o a dp r o s p e c t sf o r a p p l i c a t i o na n dg o o da p p l i c a t i o nv a l u e k e yw o r d s ：n ct e c h n o l o g y ；c a d c a m c a p p ；d n c ；p d mt e c h n o l o g y 插图清单 图2 1 网络d n c 二层运行模式8 图2 2 网络d n c 三层运行模式8 图2 3 基于p d m 的网络d n c 系统车间控制体系9 图2 4 四种网络拓扑结构1 0 图2 5 常见的网络协议结构1 2 图2 6 基于p d m 的网络d n c 系统体系结构1 3 图2 7 车间网络管理系统信息流1 4 图2 - 8d n c 通讯管理系统信息流程图1 6 图3 1 客户机访问数据库服务器通信原理图2 3 图3 - 2o d b c 的结构与应用程序和数据库之间的关系2 5 图4 1c s o c k e t 类的编程步骤2 9 图4 2 产品结构及其属性3 0 图4 3 产品属性设置对话框3 0 图4 4 产品装配关系图3 0 图4 5 产品结构树加载流程图3 2 图4 - 6 文件传输线程工作流程3 3 图4 7 文件下载界面3 3 图4 8 文件浏览效果图3 6 图4 9e x c e l 组件类添加界面3 7 图4 1 0 零部件报表汇总3 9 图4 - 1 1 文件检索报表输出效果图3 9 图4 1 2 车间网络管理系统软件运行界面4 0 图4 1 3 添加任务对话框4 0 图4 1 4 任务流程转换4 1 图4 - 1 5 系统安全管理设置4 1 图4 一1 6 报表分类管理、文档管理4 2 图4 - 1 7 刀具入库管理对话框4 3 图4 1 8 刀具信息查询对话框4 3 图4 一1 9 电子协作4 4 图4 2 0 车间资源管理界面4 4 图5 - 1d n c 数控设备集成方案4 6 图5 2n p o r t w 2 1 5 0 串口服务器接口4 7 图5 - 3n p o r t w 2 1 5 0 串口服务器r e a lc o m 工作模式4 7 图5 - 4d n c 主机与数控机床通信参数设置对话框5 1 图5 5n c 加工程序远程调用流程图5 5 图5 6 自动上传文件流程图5 7 图5 7f t p 通讯模块内部工作流程图6 1 图5 8f t p 服务器用户信息设置6 2 图5 9f t p 用户权限设置6 2 图5 1 0d n c 通讯模块的f t p 客户端子模块6 2 图5 1 1o n c 通讯模块运行主界面6 3 图6 1 数控车床仿真系统总体结构6 5 图6 2 工件设置对话框6 6 图6 39 0 度车刀几何参数设置6 7 图6 4 词法分析器状态转化图6 9 图6 5n c 中间程序存储结构图7 0 图6 6n c 中间程序单个词的数据提取流程图7 4 图6 7 数控仿真系统运行界面7 8 表格清单 表2 1 传输介质的性质分析1 1 表3 1 零件信息数据库表2 2 表3 2 用户信息数据库表2 2 表3 3 通信协议数据库表2 3 表3 - 4o d b c 体系结构的组成及功能表2 5 表4 - 1e x c e l 软件类型库表3 7 表5 - 1 数控系统通信协议表5 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 金匿王些盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：套恚冈阔亏 签字日期：2 0 0 8 年f f u 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金匿王些态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金月巴王些盔堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：苣，毛目同匀 签字日期：2 户口瞬岁月厂日 学位论文作煮毕业辱去皇积獭嗽 工作单位：如扪i 枞槲矧谚仰 黼龇：神1 姊椰劾砌栖饧p 雩 导师签名： 签字日期： 电话：，37 一伽多刀踢 懿壤：鲆o 口1 致谢 本论文是在韩江教授的悉心指导下完成的。值此论文完成之际，首先要衷 心地感谢我尊敬的导师! 感谢韩老师在我学位论文选题、调研、撰写、修改等 过程中所给予的悉心指导。在近三年的研究生学习期间，韩老师以严谨务实、 一丝不苟的治学态度和对学术问题的独到见解深深地影响了我。韩老师知识渊 博，科研经验丰富，不仅教给我知识，更教给我独立分析问题、解决问题的能 力。在我近三年的硕士阶段，韩老师在学习上和生活上给与的关怀与帮助，我 将永远铭记在心! 衷心感谢合肥工业大学c i m s 研究所的王治森老师、夏链老师、祖垣老师、 李良初老师、何高清老师、余道洋老师、齐继阳老师等对我的关怀和指导。感 谢他们在我的项目中给予我的帮助和指导。 衷心感谢所有给我上过课的老师，是他们传授给我了丰富的知识，促使我 能够进一步攀登知识的高峰! 衷心感谢我的同学戴文明、田艺、谢捷、次清波、唐保、夏静霆、王垫等， 和他们在一起的学习和生活时光将值得我永远纪念! 衷心感谢师弟王程、王川、王曦、王玉兵、杨牧原、孟超、余仲元、吴建 霖，师妹贾伟妙、曹文霞等给予我的帮助! 最后还要特别感谢我的父母和家人，是他们不辞劳苦、任劳任怨的辛勤付 出以及对我精神和物质上的支持，使我最终得以完成学业。 再次感谢所有曾经给予我帮助的人。 作者：李志鹏 2 0 0 8 年4 月 第一章绪论 1 1 引言 制造业是国民经济和综合国力的支柱产业，制造技术水平的高低已成为衡 量一个国家经济实力和科技发展水平的重要标志之一。2 1 世纪，随着信息时代 6 勺来临、知识经济的挑战、全球化浪潮的冲击、高速发展的高科技推动，全球 化的信息基础设施日新月异，用户化驱动的市场更是变幻莫测，制造业的制造 环境正在发生根本性的变化。利用信息技术与计算机网络技术，实施网络化制 造，已是现代制造业的主要发展趋势之一。网络化制造方面的研究正在全球蓬 勃发展卜6 1 。 车间是企业生产成本的主要发生地、物化与利润的产生中心和产品质量的 主要形成场所，车间有着各种不同型号和不同厂家的制造设备，车间信息的集 成和统一在很大程度上制约着企业的整体信息化水平。车间生产系统既是企业 上层计划与管理信息系统的信息接收者，也是生产现场各种信息的产生者和提 供者。车间现场设备制造信息收集的及时性、准确性以及与企业上层计划与管 理信息系统的畅通和可集成性成为企业信息化的关键环节，直接影响着企业的 市场快速反应能力。合理的利用以信息技术为代表的高科技，建立基于网络化 体系结构的组织、生产和管理模式，快速、灵活地利用各种分布的、异构的制 造资源，谋求企业间的相互合作，共同寻求机遇等成为现代制造车间的发展趋 势。基于网络化的d n c 技术和p d m 技术是实现车间信息化的重要手段，也是企 业信息化在车间的发展和延伸口1 引。 1 2d n c 技术 1 2 1d n c 技术的发展 d n c 是d i r e c tn u m e r i c a lc o n t r o l 或d i s t r i b u t e dn u m e r i c a lc o n t r o l 的简 称，意为直接数字控制或分布数字控制。d n c 最早的含义是直接数字控制，其研 究开始于2 0 世纪6 0 年代，是指将数台数控设备直接连接于一台中央计算机上， 由中央计算机负责数控加工程序的管理和传送。当时的主要研究目的是解决两 个问题：( 1 ) 解决早期数控设备( n c ) 因使用纸带输入数控加工程序而引起的种种 问题；( 2 ) 解决早期数控设备的高计算成本问题n 1 | 。 七十年代以后，c n c 技术不断发展，数控系统的存储量已扩大到能存储整个 零件程序( 复杂零件除外) ，控制器的计算速度也大为提高，完全能完成本机插 补，因而随着c n c 对n c 的取代，d n c 的基本功能有了一些变化，中央计算机的控 制信息不再以实时方式送出，而是在中央计算机的管理下，把n c 程序传送给c n c 的程序存贮器。目前，实时分享一台主计算机来实时传送控制信息( 模具加工除 外) 已很少遇到，因而现在所说的d n c ，主要是指分布数字控制。分布数字控制 除具有直接数字控制的功能外，还具有系统信息收集、系统状态监视以及系统 控制等功能h 羽。 八十年代以后，随着计算机技术、通讯技术和c i m s 技术的发展，d n c 的内涵 和功能不断扩大，与六、七十年代的d n c 相比已有很大区别，它开始着眼于车间 的信息集成，针对车间的生产计划，技术准备，加工操作等基本作业进行集中 监控与分散控制，把生产任务通过局域网分配给各个加工单元，并使之信息相 互交换。而对物流等系统可以在条件成熟时再扩充，既适用于现有的生产环境， 提高生产率，又节省了成本n 3 j 。 随着计算机技术、通讯技术和c i m s 技术的不断发展，d n c 的内涵和功能不断 扩大，与六、七十年代相比，它开始着眼于车间的信息集成模式。1 9 8 7 年美国 计算机集成制造公司d l f i r m 提出“b r o a ds c o p ed n c ”，认为在c i m 的推动下， d n c 己不仅仅作为编程系统( d n c 主机) 和c n c 机床的一种连接方式，而是可扩展 到支持车间级数据的人工采集、半自动采集和全自动采集钊。1 9 9 0 年，南京航 空航天大学方水良博士提出“柔性d n c ( f d n c ) 的概念，认为随着d n c 的不断发 展，f m s 和d n c 系统的界限越来越模糊，d n c 已成为f m s 必不可少的一部分，并将 d n c 系统用作f m s 的通信和控制模块n 引。1 9 9 8 年重庆大学张旭梅博士提出“集成 d n c ”( i d n c ) 的概念，强调“扩展d n c 的管理功能和与d n c 系统外的信息集成。” 将其定义为：“集成d n c 是机械加工车间的一种运行模式川1 6 j7 1 。集成d n c 以数控 技术、通讯技术、计算机技术和网络技术等先进技术为基础，把与制造过程有 关的设备( 如数控机床等) 与上层控制计算机集成起来，从而实现制造车间制造 设备的集中控制管理以及制造设备之间、制造设备与上层计算机之间的信息交 换”。 在集成d n c 的基础上又出现了网络d n c 的概念。网络d n c 主要强调“基于 企业p d m e r p 的机床网络数控加工”，它也是以数控技术、通讯技术、计算机技 术和网络技术等先进技术为基础，把企业的现有资源有机的结合起来，把与制 造过程有关的设备( 如数控机床等) 与上层控制计算机集成管理起来，成为一个 有机的统一整体，从而实现真正的数控机床网络化、网络在线加工无障碍。同 时也对企业的各种资源进行优化、平衡。 网络技术的发展又给d n c 带来了新的机遇，d n c 已不仅局限于单元内的n c 控制，更要借助于网络实行远程控制。1 9 9 9 年，熊斌提出“敏捷d n c ”概念引。 其核心思想是：企业针对某一个或多个经营机遇与合适的一个或多个盟友进行 虚拟合作结成的动态联盟，企业借助网络媒介与盟友进行信息交换，直接或间 接的对分散在各地的盟友的n c 设备进行远程控制而形成一种新型的d n c 系统。 随着d n c 的发展与应用，人们需要在更高层次上应用d n c ，将d n c 思想渗透于 车间控制中。上海交通大学唐文虎提出的基于c o r b a 的d n c 标志着d n c 技术朝 着分布式控制技术的方向发展。从而使得d n c 技术成为制造车间实现集成和设 备集成的有效途径。 2 1 2 2d n c 技术的发展趋势及研究重点 d n c 技术的发展方向主要表现在d n c 与c i m s 的集成、d n c 系统的模块化和 商品化、基于现场总线和计算机局域网的d n c 产品开发以及d n c 产品与数控系 统的配套开发与生产等方面”。未来d n c 技术的研究重点如下： ( 1 ) d n c 集成技术的研究。现有d n c 系统只能集成一种或有限的两三种数控 系统，要使d n c 系统具有推广应用价值，应加强各种典型数控系统的d n c 集成 方法的研究。 ( 2 ) 研究开发现场总线式和局域网式通信结构。 ( 3 ) 研究适用于具有d n c 接口功能的高档进口数控系统的d n c 系统。虽然国 外己有这类商品化系统，但在国内还没有得到实际应用，因此有必要进行研究 以便推广应用。 ( 4 ) 研究重点从通信技术向生产管理软件技术转移，开发d n c 系统与 c a d c a p p c a m 和m r p 等系统的接口，并加强d n c 扩充功能的研究。 ( 5 ) 基于w e b 的研究。随着数控系统柔性和通用性的要求越来越高，具有开 放式的体系结构成为数控系统向模块化、平台化、工具化和标准化发展的必然 趋势，而基于w e b 模式的数控系统可以做到完全分布式和开放式，w e b 是实现 w w w 的基本框架，是高度模块化和完全分布式的，只要使用浏览器并与i n t e n e t 连接即可。因此d n c 最终将走向i n t e n e t ，d n c 产品可以在互联网上向中小企业 提供服务，形成电子商务网站。企业以使用时间收费，从而可以使许多单位不 用去购买昂贵的软件和硬件。 i 3p d m 技术 1 3 1p d m 技术的产生背景 p d m 的中文名称为产品数据管理( p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ) 。p d m 是一门 用来管理所有与产品相关信息( 包括零件信息、配置、文档、c a d 文件、结构、 权限信息等) 和所有与产品相关过程( 包括过程定义和管理) 的技术引。 在2 0 世纪的6 0 、7 0 年代，企业在其设计和生产过程中开始使用c a d 、c a m 等技术，新技术的应用在促进生产力发展的同时也带来了新的挑战。对于制造 企业而言，虽然各单元的计算机辅助技术已经日益成熟，但都自成体系，彼此 之间缺少有效的信息共享和利用，形成所谓的“信息孤岛”：并且随着计算机应 用的飞速发展，随之而来的各种数据也急剧膨胀，对企业的相应管理形成巨大 压力如：数据种类繁多、数据重复冗余、数据检索困难、数据的安全性及共享 管理等等。 许多企业已经意识到，实现信息的有序管理将成为未来竞争中保持领先的 关键因素。在这一背景下产生了一项新的管理思想和技术p d m ，即以软件技术 为基础，以产品为核心，实现对产品相关的数据、过程、资源一体化集成管理 的技术。p d m 明确定位为面向制造企业，以产品为管理的核心，以数据、过程 和资源为管理信息的三大要素。p d m 进行信息管理的两条主线是静态的产品结 构和动态的产品设计流程，所有的信息组织和资源管理都是围绕产品设计展开 的，这也是p d m 系统有别于其他的信息管理系统，如企业信息管理系统( k i l s ) 、 制造资源计划( m r p i i ) 、项目管理系统( p m ) 、企业资源计划( e r p ) 的关键所在。 1 3 2p d m 是c a d c a m c a p p 的集成平台 自7 0 年代起。人们就开始研究c a d 、c a p p 、c a m 之间的数据和信息自动化传 递与转换问题，即3 c 集成技术。目前，p d m 系统是最好的3 c 集成平台。它可以 把与产品有关的信息统一管理起来，并将信息按不同的用途分门别类地进行有 条不紊的管理。不同的c a d c a p p c a m 系统都可以从p d m 中提取各自所需的信息， 再把结果放回p d m 中，从而真正实现3 c 的集成。所以在企业信息化的进程中， p d m 逐渐成为c a d c a p p c a m 的集成平台。 1 4p d m 系统与d n c 系统集成的必要性 大多数数控机床用户在实施d n c 方面都已取得了共识，也有很多企业已经 实施了数控网络d n c ，虽然这些d n c 系统在n c 程序通讯等方面的表现都比较良 好，基本解决了n c 程序的通讯瓶颈，大大提高了企业的生产效率，但在系统的 使用过程中还是出现了一些问题，主要表现在：( 1 ) 目前市面上的d n c 厂商提供 的d n c 产品都是基于n c 程序文件的管理模式，在数据的快速查询、存取、安全 可靠性等方面存在着隐患；( 2 ) 与企业中其他相关管理系统的接口不畅，虽然 d n c 厂商也承诺可以达到所谓的无缝连接，但要实现真正的连接还存在很多技 术上的难题；( 3 ) n c 程序的管理缺乏合理的管理规章制度晗引。 事实上，即使企业实施的e r p 、p d m 等生产管理系统和c a d c a m 等产品设计 制造系统己经都很完善了，但仍然存在着上层管理和底层设备之间的信息断层， 普通意义上的d n c 系统仅仅是车间的信息“孤岛”，无法实现和c a d c a m p d m 系统进行信息共享，无法配合企业生产管理系统调度车间的制造和生产过程。 p d m 主要是根据企业需求和企业文化，将所有与产品相关的信息、资源、 人员和过程都纳入p d m 技术和管理框架之中，实现优化运作。它的实施解决了 集成产品开发队伍之间的协同工作，保证把正确的信息、在正确的时间、用正 确的方式、传递给正确的人，以实现企业的文档管理、产品结构管理、配置管 理、工作流程管理和应用系统的完全集成。 通过d n c 系统可以方便的构建车间生产现场的信息数据交换平台，而作为 现代生产车间，将p d m 引入网络化管理是发展趋势，充分利用两大系统的优势， 将p d m 和d n c 系统有机的结合，开发新型的基于p d m 的网络d n c 一体化系统， 以对加工过程中的信息流进行更科学有效的管理是今后d n c 技术的研究方向之 一。未来d n c 的一个研究重点是：开发d n c 系统与c a d c a p p c a m 、p d m 、m r p 、 4 e r p 等系统的接口，并加强d n c 扩充功能的研究，而p d m 又是c a d c a m c a p p 系 统最好的集成平台，因此研究d n c 系统与p d m 系统的集成技术，并开发相应的 集成信息管理系统具有重要的现实意义。 1 5 课题来源及研究任务 1 5 1 课题来源 论文的课题来源：合肥市重点科技攻关项目“车间异构数控机床网络d n c 集成系统开发及应用 。 2 0 0 5 年，中国电子科技集团公司某研究所为了技术改造和新产品零件加工 的需要，委托合肥工业大学c i m s 研究所对某机械加工车间的1 0 台数控车床进 行数控升级。合肥工业大学c i m s 研究所与中国电子科技集团公司某研究所进行 磋商，对其中三台采用日本进口的f a u n c 数控系统，五台采用广州数控g s k 数 控系统，两台采用合肥工业大学c i m s 研究所s t a r 数控系统，建立较高水平的 数控加工车间。中国电子科技集团公司某研究所为了进一步提高数控机床的利 用率，在双方已有充分合作的基础上，决定和合肥工业大学c i m s 研究所联合申 报车间异构数控机床网络d n c 集成系统开发及应用。 结合数控车间信息化的发展要求和d n c 技术的发展趋势，本文在原有项目 的基础上，尝试将d n c 系统与p d m 系统集成，扩展原有d n c 系统的功能，实现 从产品设计到产品数控加工全过程的网络化，对产品数据进行网络化管理，使 产品数据通过网络在设计制造各部门自由流动，对产品数据进行权限管理，避 免数据丢失损坏，从而进一步提高数控车间的信息化管理水平。 1 5 2 本课题的意义 车间级信息集成与控制是制造企业信息化的基础和难点。在制造企业车间 的信息化进程中，网络d n c 逐渐成为车间级信息集成和控制的一种有效形式。 目前，国外已经有了较成熟的d n c 产品，但是由于其价格昂贵，超出了国内一 般中、小型企业可以承受的范围，并且这些d n c 产品主要管理n c 程序、d n c 主 机与数控设备的通信，不具备集成企业其他系统( c a m c a m c a p p ) 的功能。研究 和开发新型的d n c 系统，使其能够集成企业其他独立的系统，并且可以高效的 管理制造车间的数控设备，将大大提高车间的信息化水平，从而提高企业的竞 争力。 1 5 3 研究任务 本论文的主要研究任务： 1 探讨d n c 技术和p d m 技术的产生背景，指出当前商业化的d n c 系统存在 的不足，论述在车间信息化建设中将d n c 技术与p d m 技术集成开发新型的网络 d n c 系统的必要性。 2 探讨基于p d m 的网络d n c 系统的车间运行模式，研究车间控制网络平台 技术，并结合企业具体情况建立基于p d m 的网络d n c 系统的网络控制体系。 3 设计基于p d m 的网络d n c 系统体系结构，并根据中国电子科技集团公司 某研究所的制造车间情况，定制系统功能。 4 根据系统维护的数据特点，选择m i c r o s o f ts q ls e r v e r2 0 0 0 作为数据 库管理系统，并根据数据库设计规范建立系统数据库。 5 研究系统各功能模块实现的关键技术，并运用v c + + 6 0 软件开发工具， 开发基于p d m 的网络d n c 系统软件。 6 研究数控加工仿真技术，并开发数控车床n c 代码仿真系统。 6 第二章基于p d m 的网络d n c 系统的总体设计 本章将具体讨论基于网络d n c 技术的车间集成控制模式，并在此基础上确 定基于p d m 的网络d n c 系统的车间网络集成控制模式、系统集成方案和系统总 体结构。 2 1 制造系统集成模式的研究 制造车间作为整个制造过程的最终执行者和实时信息的采集者，是制造系 统中的一个重要环节。车间控制体系充分反映了车间自动化的发展水平，是集 生产管理、加工制造、设备控制于一体的高度自动化的一种车间表达形式。如 何在车间控制模式中将d n c 系统与车间的其他应用系统进行有效的集成，实现 d n c 系统与其他应用系统间信息共享，对于制造车间的信息化建设具有重要的 意义。 网络d n c 作为现代化机械加工车间的一种运行模式，以数控技术、通讯技术、 控制技术、计算机技术和网络技术等先进技术为基础，把与制造过程有关的设备 ( 如数控机床等) 与上层控制计算机集成起来，从而实现制造车间制造设备的集 中控制管理以及制造设备之间、制造设备与上层计算机之间的信息交换。针对 车间的不同规模和大小，网络d n c 的控制结构区别于传统的d n c ，可以有工作 站层和设备层2 层控制结构；车间层、工作站层和设备层3 层控制结构； 车间层、单元层、工作站层和设备层4 层控制结构：跨车间控制结构。除车 间内部的4 层控制结构外，车间还可以通过工厂局域网由工厂层控制或通过 i n t e r n e t 由其它企业控制心。以下主要介绍网络d n c 两层和三层控制结构： ( 1 ) 二层控制结构 该运行模式的控制结构只有工作站层和设备层2 层，是最简单的一种( 见图 2 1 ) 。d n c 主机集d n c 控制和多种管理功能为一体，如通讯管理、系统信息管理、 n c 程序管理、工艺信息管理、制造资源管理、生产计划、生产调度、生产监控 等。此外，d n c 主机一般还具有与c a d 、c a p p 、c a m 和m r p i i 等系统的接口( 磁盘 文件读取方式) ，如果d n c 主机的存贮能力足够，甚至可以将这些系统的全部或 部分集成到d n c 主机内。 这种运行模式具有结构简单、功能集中、投入少、易实现等特点，适合于只 需对车间局部进行d n c 控制的场合。 ( 2 ) 三层控制结构 该运行模式的控制结构包括车间层、工作站层和设备层3 层，是一种中等规 模的运行模式( 见图2 2 ) 。d n c 主机只负责与数控设备的通讯控制和通讯管理以 及数控设备的状态信息采集，产品设计、工艺设计、n c 程序生成、生产计划、 生产调度和其它信息的管理则由c a d 、c a p p 、c a m 、m r p i i 工作站和车间服务器 完成，从而减轻了d n c 主机的负担。所有的工作站和数据库都挂在车间局域网上， 7 可以方便地通过网络交换各种制造信息。 随着网络技术的发展，车间局域网的建立已非常现实易行，而大部分的工厂 和企业还不可能很快建立起企业网，因而该运行模式可以说是目前较适合我国 国情的一种，适合于没有单元层设置且集成控制管理功能要求较高的车间。 图2 - 1网络d n c 二层运行模式 图2 - 2网络d n c 三层运行模式 2 2 基于p d m 的网络d n c 系统集成控制模式的建立 2 2 1 需求分析 中国电子科技集团公司某研究所设计部门拥有c a d 、c a p p 、c a m 等计算机辅 助设计工具，并设计开发出众多新产品，产生了大量的技术文档，如二维图纸、 三维图纸、工艺文档、n c 加工文档等核心技术文档。在生产制造装备方面，某 研究所拥有大量的数控机床，已经建立了较高水平的数控加工车间。但是由于 c a d c a m c a p p 都为独立的系统，这种初级信息化解决不了产品开发、生产经营 管理数据信息的共享，系统不能集成运行，发挥不了企业信息化的最佳效果。 车间内的数控机床还没有和研究所的局域网连接起来，致使车间内的数控机床 成为一个个信息“孤岛 ，不能与上层局域网进行信息互通。如何将c a d 、c a p p 、 c a m 等这些离散系统集成起来，同时对车间数控机床进行联网控制，以提高企 业的信息化管理水平成为迫切需要解决的问题。 根据中国电子科技集团公司某研究所的具体情况和企业规模，以及当前该 企业信息化所面临的问题，本论文研究的基于p d m 的网络d n c 系统不仅要具有 d n c 的基本功能，如数控加工文件的上传、下载，还要实现数控加工设备工作 状态信息的实时采集，同时具有p d m 、物料管理和任务分配的功能，从而将车 间中与设计制造过程有关的数据统一管理起来，并通过p d m 接口与d n c 服务器 相连，实现底层数控设备与上层管理系统的信息互动，以解决传统d n c 存在的 信息“孤岛问题。 2 2 2 系统集成控制模式的建立 根据上述系统需求分析，以及本章第一节对网络d n c 车间控制集成控制模 式的分析，本文确定了基于p d m 的网络d n c 系统车间控制体系结构( 如图2 3 所示) 。该运行模式的车间控制结构有三层：工作站层、车间层和设备层。d n c 主机负责与数控设备的通讯控制和通讯管理以及数控设备的状态信息采集，车 间服务器负责管理c a d c a m c a p p 工作站、刀具物料工作站的数据。通过车间集 成网络，d n c 主机可以将底层数控设备的信息反馈给车间服务器，也可从车间 服务器获取c a m 工作站生成的n c 加工程序。 c a d i 作站c a p p t 作站c a m - r 作站7 j 亘工作站物料- r 作站车间服务署 制造 数控机床 数控机床数控机床敷控机床 图2 3基于p d m 的网络d n c 系统车间控制体系 9 从图2 - 6 可以看出，三个层次的实现都涉及到软件设计和硬件联网等关键 技术，其中加工设备的联网是该系统的硬件支撑骨架，而系统软件是系统的灵 魂。针对不同的硬件设备和软件要求，该车间系统可以有不同的集成方式，下 面将具体讨论本系统集成控制模式的具体网络平台技术，并确定本系统所采用 的网络平台。 2 3 网络平台技术的研究强2 3 一钔 车间控制体系是有着各自不同通信标准的局域网构成的。通过对不同网络 结构、传播介质、网络通讯协议标准的比较，可以深入了解不同的网络技术分 别适合于不同的系统要求。 2 3 1 网络拓扑结构 网络拓扑结构描述了p c 、p l c 、智能驱动设备、数控机床等设备之间的相 互连接关系。下面是基本的、互为不同的拓扑结构形式： (2)( 1 ) 图2 4 四种网络拓扑结构 ( 1 ) 点对点连接：任意两个通信设备通过电缆连接实现数据的交换。如c n c 机床控制或p c 机与数控机床的串行通讯方式。当有多个设备进行连接时，网络 就变得复杂。由于对节点数目有限制，这种连接形式己很少采用。 ( 2 ) 环形结构：通信设备相互连接，在物理上形成了一个环。在环上传递的 信息是由一个设备传递到下一个设备依次形成的信息传输。相对于其它结构而 言，它能提供最佳吞吐量。 ( 3 ) 星形结构：各通信设备通过与中央站联接构成网络。这种方式具有网络 容量大和可扩展性好等特点，适合于终端密集的应用场合，这种结构的通信费 用量最小。 ( 4 ) 总线结构：所有网络成员的通信交流通过一个总线来实现。每一个成员 通过一个较短的分接电缆接入总线。网络可靠性相对较高，单个节点的故障不 会造成整个网络无法正常工作。可以通过增减节点接口来增加和删除设备，网 络柔性好。大多数现场总线采用这种形式。 由于车间设备的各异性以及功能的复杂性，单单使用一种连接方式很难满 足车间的需求。在网络d n c 设备网络层中，由于设备的接口不同，在智能通讯 模块与设备间采用点对点连接方式，以适应不同的设备：而智能通讯模块之间 1 0 通过总线方式连接，既可以保证网络的可扩展性，也可保证系统的可靠性，还 能大大降低系统成本。在d n c 上层网络控制中，主要面向车间制造信息应用， 信息复杂，应用点多，以星型结构应用较佳。 从总体上说，设备集成网络采用总线结构，而信息集成网络采用星型结构 佼为合适。 2 3 2 网络数据的传输 传输介质的特征： 车间常用的网络传输介质有双绞线、同轴电缆和光导纤维等，介质性质见 麦2 1 。 表2 1 传输介质的性质分析 传输介质带宽数据传输率互连复杂性信噪比距离成本 双绞线 小 中等i o m b p s低低短低 同轴电缆高高5 0 m b p s中等中等 长 中等 一 光导纤维很高很高m b p s高局很长高 车间网络有两个最主要的影响因素：可靠性和安装成本。光纤可靠性最高， 但初始安装成本也最高，当前主要在苛刻环境中应用。双绞线成本最低，车